KONETEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA TERÄSRAKENTEIDEN MITOITUS JATKUVALLE SORTUMALLE, ESIMERKKILASKELMA. Toni Alaruikka KANDIDAATINTYÖ 2016

KONETEKNIIKAN KOULUTUSOHJELMA TERÄSRAKENTEIDEN MITOITUS JATKUVALLE SORTUMALLE, ESIMERKKILASKELMA Toni Alaruikka KANDIDAATINTYÖ 2016 Ohjaaja: Matti Kangaspuoskari

TIIVISTELMÄ Kanditaatintyön otsikko: Teräsrakenteiden mitoitus jatkuvalle sortumalle, esimerkkilaskelma Tekijän Etunimi Sukunimi: Toni Alaruikka Oulun yliopisto, Konetekniikan koulutusohjelma Kandidaatintyö 2016, 25 s. + 8 s. liite Työn ohjaaja: Matti Kangaspuoskari Tämän kandidaatintyön tavoitteena on käydä läpi teräsrakenteiden mitoituksessa jatkuvalle sortumalle vaaditut asiat, sekä esittää esimerkkilaskelma. Työ suoritetaan tuomalla esille olennaisimmat jatkuvan sortuman mitoituksessa vaaditut asiat, esimerkiksi paikallisen vaurion laajuudeen rajoittaminen, vaaka- ja pystysiteet sekä mitoitus avainasemassa olevalle rakenneosalle. Laskuesimerkissä käsitellään yksikerroksista teräsrakenteista hallimaista rakennusta, jonka oletetaan kuuluvan seuraamusluokkaan 2b. Asiasanat: jatkuva sortuma, paikallinen vaurio, onnettomuuskuorma

ABSTRACT Title of the bachelor s thesis: Structural steel design for progressive collapse, example calculation Author s First name Family name: Toni Alaruikka University of Oulu, Degree Programme of Mechanical Engineering Bachelor s thesis 2016, 25 p. + 8 p. appendix Supervisor: Matti Kangaspuoskari The aim of this bachelor s thesis is to show what is needed to take into consideration when designing structural steel for progressive collapse and do an example calculation. The work is carried out by disclosing most essential things in design for progressive collapse. For example localized failure, horizontal and vertical bracing and design for key element. In the example calculation is one-storied steel frame large-bay building which is assumed to be in consequence class 2b. Keywords: progressive collapse, localized failure, accidental action

ALKUSANAT Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on esittää huomioitavia asioita teräsrakenteiden mitoituksessa jatkuvalle sortumalle, sekä esittää esimerkkilaskelma. Haluan kiittää Matti Kangaspuoskaria kandidaatintyöhön liittyvistä neuvoista, sekä ohjauksesta. Oulu, 29.02.2016 Toni Alaruikka

SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT ALKUSANAT SISÄLLYSLUETTELO MERKINNÄT JA LYHENTEET 1 JOHDANTO... 7 2 ONNETTOMUUSTILANTEET... 8 2.1 Seuraamusluokat... 9 2.2 Vaurioitumisen hyväksyttävät rajat... 14 3 MÄÄRITELTÄVISSÄ OLEVAT ONNETTOMUUSKUORMAT... 17 3.1 Kuormitusyhdistelmät onnettomuustarkastelussa... 17 4 PAIKALLISEN VAURION LAAJUUDEN RAJOITTAMINEN... 19 4.1 Vaakasiteet... 19 4.1.1 Rengas- ja sisäpuoliset siteet... 19 4.1.2 Seinien ja pilareiden sidonta välipohjaan... 20 4.2 Pystysiteet... 21 4.3 Yhden rakenneosan kantokyvyn menetys... 21 4.4 Avainasemassa oleva rakenneosa... 21 4.5 Riskianalyysi... 22 5 YHTEENVETO... 24 6 LÄHDELUETTELO... 25 LIITE

MERKINNÄT A d Onnettomuuskuorma A L Lattiapinta-ala kerrosta kohti G k Pysyvä kuorma T i Rengas- ja sisäpuolinen sidevoima T tie Seinien ja pilareiden sidevoima välipohjaan s Sidevoiman kertymisleveys

7 1 JOHDANTO Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on esittää huomioitavia asioita teräsrakenteiden mitoituksessa jatkuvalle sortumalle, sekä esittää laskuesimerkki. Kandidaatintyön aihe on valittu tukemaan teräsrakenteiden suunnittelu opintoja. Tavoitteena on esittää määriteltävissä olevat onnettomuuskuormat ja paikallisen vaurion laajuden rajoittamiseen liittyvät toimintaperiaatteet. Liitteenä olevassa laskuesimerkissä käsitellään teräsrakenteista hallimaista rakennusta, joka on yksikerroksinen. Rakennuksen oletetaan kuuluvan seuraamusluokkaan 2b, jotta saadaan esitettyä tarpeelliset onnettomuustilanteen erityistarkasteluun liittyvät toimintaperiaatteet. Seuraamusluokka 2b edellyttää vaaka- ja pystysiteet tai paikallisen vaurion tarkastamisen tai suunnittelun avainasemassa olevana rakenneosana.

8 2 ONNETTOMUUSTILANTEET Onnettomuustilanteiden mitoituksessa tarkastellaan poikkeuksellisten tapahtumien esiintymistä ja niistä muodostuvia kuormavaikutuksia yhdessä pysyvien ja muuttuvien kuormien vaikutuksien kanssa. Onnettomuustilanteiden kuormavaikutuksien esiintymistodennäköisyys on yleensä pieni, vaikutukset ovat lyhytkestoisia, sekä niillä on vakavia seurauksia. Onnettomuuden seurausten vakavuus määrittää onnettomuustilanteiden käsittelyn laajuuden. Seurausten vakavuutta voidaan mitata mm. henkilövahinkojen ja kuolunuhrien määrällä, ympäristölle aiheutuvien haittavaikutuksien laajuudella ja taloudellisilla menetyksillä. Onnettomuusmitoitustilanteet voidaan jakaa kahteen eri toimintaperiaatteeseen: määriteltävissä ja määrittelemättömissä oleviin onnettomuusmitoituskuormiin perustuviin toimintaperiaatteisiin. Määriteltävissä olevia onnettomuuskuormia ovat mm. räjähdykset ja törmäykset. Määrittelemättömissä olevien onnettomuuskuormien toimintaperiaatteet perustuvat paikallisen vaurion laajuuden rajoittamiseen. Paikallisella vauriolla tarkoitetaan rakenteen osaa, jonka oletetaan sortuneen tai vaurioituneen pahasti onnettomuustapauksessa. Mikäli paikallisen vaurion laajuuden rajoittaminen epäonnistuu, tapahtuu jatkuva sortuma, jolla tarkoitetaan paikallisen vaurion seurauksena ketjureaktiona tapahtuvaa sortumaa, jossa rakennus kokonaisuudessaan tai merkittävä osa rakennuksesta sortuu ja josta seuraa huomattavan suuri henkilövahinkojen vaara. (SFS-EN 1991-1-7: 24; Betoninormikortti N:o 23: 3.)

9 2.1 Seuraamusluokat Eurokoodi 1, Osa 1-7: Yleiset kuormat, Onnettomuuskuormat esittää paikallisen vaurion laajentumisen rajoittamiseksi neljä vaihtoehtoista toimintaperiaatetta. Onnettomuusmitoitusta varten on laadittu rakennusten seuraamusluokitukset, joiden perusteella sovellettavat toimintaperiaatteet määräytyvät. Seuraamusluokat onnettomuusrajatilassa liittyvät Taulukko 1:ssä esitettyihin seuraamusluokkiin CC1, CC2 ja CC3. Taulukko 2:ssa on esitetty Suomen kansallisessa liitteessä oleva seuraamuusluokkiin jaottelu, joka poikkeaa Taulukko 3:ssa esitettyyn standarin SFS-EN 1991-1-7 jaottelusta.

10 Taulukko 1. Seuraamusluokkien määrittely (SFS-EN 1990: 136). Seuraamusluokka Kuvaus Rakennuksia sekä maa- ja vesirakennuskohteita koskevia esimerkkejä. CC3 Suuret seuraamukset hengenmenetysten tai hyvin suurten taloudellisten, sosiaalisten tai ympäristövahinkojen takia. Pääkatsomot; julkiset rakennukset, joissa vaurion seuraamukset ovat suuret. Esimerkiksi konserttitalo. CC2 Keskisuuret seuraamukset hengenmenetysten tai merkittävien taloudellisten, sosiaalisten tai ympäristövahinkojen takia. Asuin- ja liikerakennukset; julkiset rakennukset, joissa vaurion seuraamukset ovat keskisuuret. Esimerkiksi toimistorakennus. CC1 Vähäiset seuraamukset hengenmenetysten tai pienten tai merkityksettömien taloudellisten, sosiaalisten tai ympäristövahinkojen takia. Maa- ja metsätalousrakennukset, joissa ei yleensä oleskele ihmisiä. Esimerkiksi varastorakennukset ja kasvihuoneet.

11 Taulukko 2. Rakennusten jaottelu seuraamuusluokkiin onnettomuusrajatilassa Suomen kansallisen liitteen mukaisesti (NA SFS-EN 1991-1-7). Seuraamusluokka Rakennuksen tyypin ja käyttötarkoituksen mukainen luokitus. 1 1- ja 2-kerroksiset rakennukset, joissa vain tilapäisesti oleskelee ihmisiä. 2a Melko pienen riskin ryhmä. Rakennukset, joissa on korkeintaan neljä maanpäällistä kerrosta 1) tai joiden korkeus on enintään 16 m. 2b Melko suuren riskin ryhmä. Kaikki muut rakennukset ja rakenteet, jotka eivät kuulu seuraamusluokkiin 1,2a tai 3. 3a 9-15 kerroksiset 2) asuin-, konttori-, ja liikerakennukset ja muut 9-15 kerroksiset käyttötarkoitukseltaan ja rungoltaan samantyyppiset rakennukset. 3b Muut yli 8-kerroksiset 2) rakennukset. Esim. konserttisalit, teatterit, urheilu- ja näyttelyhallit, katsomot (yli 1000 henkeä), raskaasti kuormitetut tai suuria jännevälejä sisältävät rakennukset. 1) Asuinrakennukset, joissa on korkeintaan kaksi maanpäällistä kerrosta, voidaan suunnitella kuitenkin onnettomuusrajatilassa seuraamusluokan 1 mukaisesti. 2) Kellarikerrokset mukaan luettuina.

12 Taulukko 3. Seuraamusluokkien jaottelu (SFS-EN 1991-1-7: 54). Seuraamusluokka Rakennuksen tyypin ja käyttötarkoituksen mukainen luokitus. 1 Rivitalon tyyppiset rinnakkaisia huoneistoja käsittävät enintään nelikerroksiset talot. Maatalousrakennukset. Rakennukset, joissa ei yleensä oleskele ihmisiä ja jos mikään rakennuksen osa ei ole muuta rakennusta tai ihmisten käyttämää tilaa rakennuksen puolitoistakertaista korkeutta lähempänä. 2a Melko pienen riskin ryhmä. Rivitalon tyyppiset rinnakkaisia huoneistoja käsittävät 5- kerroksiset talot. Enintään 4-kerroksiset hotellit, asuintalot ja toimistot. Enintään 3-kerroksiset teollisuusrakennukset ja vähittäismyymälät, joiden jokaisen kerroksen lattiapinta-ala on alle 1000 m 2. Yksikerroksiset oppilaitokset. Kaikki enintään kaksi kerrosta käsittävät julkiset rakennukset, joiden A L 2000 m 2. 2b Melko suuren riskin ryhmä. Enintään 15-kerroksiset hotellit, asuinrakennukset, toimistot, oppilaitosrakennukset ja vähittäismyymälät. Enintään 3-kerroksiset sairaalat. Enintään 6 kerrosta käsittävät pysäköintilaitokset. Kaikki julkiset rakennukset, joissa 2000 m 2 A L 5000 m 2. 3 Kaikki edellä seuraamusluokkaan 2a tai 2b määritellyt rakennukset, jotka ylittävät kerroksen pinta-alaa tai lukumäärää koskevat rajat. Kaikki rakennukset, joihon kokoontuu suuria yleisömääriä. Stadionit, joille mahtuu yli 5000 katsojaa. Rakennukset, jotka sisältävät vaarallisia aineita tai joissa käytetään vaarallisia prosesseja.

13 Moneen erityyppiseen tarkoitukseen käytettävän rakennuksen seuraamusluokka valitaan suurimman riskin ryhmään kuuluvan osan mukaan. Taulukko 3 ei ole kattava ja sitä voidaan muuttaa. Taulukossa 3 esiintyvä A L tarkoittaa lattiapinta-alaa kerrosta kohti. Kerrosten lukumäärää laskettaessa pohjakerroksia ei tarvitse laskea mukaan, mikäli pohjakerrokset täyttävät seuraamusluokan 2b melko suuren riskin ryhmän vaatimukset. (SFS-EN 1991-1-7: 54.) Merkittävin ero Taulukko 2:n ja Taulukko 3:n välillä on, että Suomen kansallisessa liitteessä (Taulukko 2) 9-15 kerroksiset rakennukset kuuluvat luokkaan 3a. Luokan 3a rakenteille sovelletaan luokan 2b toimintaperiaatteita. Eurokoodin (Taulukko 3) mukaisen määrittelyn mukaan alle 15 kerroksiset rakennukset kuuluvat seuraamusluokkaan 2b. Toimintaperiaatteet vaurion laajenemisen rajoittamiseksi on esitetty Taulukko 4:ssa, jossa seuraamusluokat ovat Suomen kansallisen liitteen mukaisia.

14 Taulukko 4. Toimintaperiaatteet vaurion laajenemisen rajoittamiseksi. Seuraamusluokka Toimintaperiaatteet Luokka 1 Onnettomuustilanteen erityistarkastelua ei tarvita. Luokka 2a Vaakasiteet tai välipohjien ankkurointi seiniin. Luokka 2b Vaaka- ja pystysiteet tai paikallisen vaurion tarkastaminen tai suunnittelu avainasemassa olevana rakenneosana. Luokka 3a Samat vaatimukset kuin luokassa 2B. Luokka 3b Riskianalyysi. Riskiarvioinnin tuloksesta riippumatta tulee tarkistaa paikallisen vaurion seuraukset sekä avainasemassa olevat rakenneosat. 2.2 Vaurioitumisen hyväksyttävät rajat Onnettomuustilanteessa paikallisen vaurion syntyminen on hyväksyttävää. Hyväksyttävä raja paikallisessa vaurioitumisessa riippuu rakennetyypistä. Kuva 1 koskee monikerroksisia rakennuksia ja Kuva 2 hallimaisia rakennuksia.

15 Selite (A) Paikallinen vaurio, joka on enintään 15% kummankin päällekkäisen kerroksen lattiapinta-alasta. (B) Poistettavaksi ajateltu pilari. a) Tasopiirros b) Poikkileikkaus Kuva 1. Hyväksyttävän vaurioitumisen suositusraja monikerroksissa rakennuksissa (SFS-EN 1991-1-7: 52). Suomen kansallisen liitteen mukaan paikallisen vaurion laajuus saa olla yhdessä kerroksessa enintään 15% kyseisen kerroksen lattiapinta-alasta ja enintään 100m 2 / kerros. Eurokoodin mukaan paikallisen vaurion laajuus saa olla kummassakin kahdessa päällekkäisessä kerroksessa 15% lattiapinta-alasta tai 100m 2 sen mukaan, kumpi on pienempi.

16 Kuvassa 2 (A) kuvaa paikallista vauriota ja (B) poistettavaksi ajateltua pilaria. Kuva 2. Hyväksyttävän vaurioitumisen laajuus hallimaisissa rakennuksissa (NA SFS- EN 1991-1-7: 23). Paikallisen vaurion laajuus saa olla pääkannattajan vaurioituessa pääkannattajien pituus kertaa pääkannattajien väli kerrottuna kahdella. Pääkannattajan ollessa ulkoseinälinjalla hyväksyttävä vaurioalueen laajuus saa olla puolet edellä mainitusta pinta-alasta (ks. Kuva 2). Vaurio saa tapahtua vain yhdessä kerroksessa. (NA SFS-EN 1991-1-7: 23.) Liitteenä olevassa laskuesimerkissä on osoitettu, että kattoristikon vaurioituessa kattorakenteet eivät pysty kantamaan kattoon kohdistuvaa kuormitusta. Näin ollen kattorakenteiden liitokset tulee suunnitella niin, että paikallinen vaurio pääsee tapahtumaan, eikä jatkuvaa sortumaa pääse syntymään. Laskuesimerkissä ei ole suunniteltu liitoksia, vaan osoitettu että rakenne kestää onnettomuuskuorman A d.

17 3 MÄÄRITELTÄVISSÄ OLEVAT ONNETTOMUUS- KUORMAT Huomioon otettavat onnettomuuskuormat määriteltävissä olevien onnettomuuskuormien varalta riippuvat useista eri tekijöistä. Määriteltävissä olevan onnettomuuskuorman esiintymistodennäköisyys on yksi tekijöistä. Myös vaurioiden seuraamukset, hyväksyttävä riskitaso, yleinen suhtautuminen vaurioitumiseen ja toimenpiteet, joihin on ryhdytty onnettomuuskuorman estämiseksi tai sen vaikutusten pienentämiseksi ovat vaikuttavia tekijöitä. (SFS-EN 1991-1-7: 24.) Paikalliset vauriot, jotka aiheutuvat onnettomuuskuormista, voidaan hyväksyä mikäli ne eivät ole vaaraksi koko rakenteelle tai rakenteen kantokyky säilyy välttämättömien hätätoimenpiteiden ajan. Onnettomuuskuormien vaikutuksia voidaan pienentää suunnittelun avulla usealla eri tavalla. Rakenteet voidaan suunnitella kestämään onnettomuuskuorman vaikutukset. Rakenteet voidaan suunnitella myös niin, että vahingoittunut alue voidaan kannattaa vaihtoehtoisella rakenteella. Onnettomuuskuorman esiintymistodennäköisyyttä tai suuruutta voidaan pienentää (esim. paineenpurkausluukuilla räjähdysten vaikutusten pienentämiseksi). Rakenteet voidaan suojata esim. suojatolpilla tai betoniporsailla, jolloin törmäyskuorman vaikutus rakenteeseen on pienempi. (SFS-EN 1991-1-7: 26.) 3.1 Kuormitusyhdistelmät onnettomuustarkastelussa Onnettomuustilanteessa rakenteen tulee kestää pysyvien ja muuttivien kuormien lisäksi myös onnettomuuskuorma. Kuormitusyhdistelmä onnettomuustarkastelussa edellyttää eri kertoimien käyttöä muuttuville kuormille. Kertoimet ovat pienempiä verrattuna normaali mitoitustilanteessa käytettäviin kertoimiiin.

18 Taulukko 5. Onnettomuuskuormien yhdistelmissä käytettävät kuormien mitoitusarvot (SFS-EN 1990: 92).

19 4 PAIKALLISEN VAURION LAAJUUDEN RAJOITTAMINEN 4.1 Vaakasiteet 4.1.1 Rengas- ja sisäpuoliset siteet Jokainen väli- ja yläpohja varustetaan sen ympäri kiertävillä rengassiteillä ja kohtisuorasti toisiaan vastaan olevilla sisäpuolisilla siteillä. Siteistä tehdään jatkuvia ja ne sijoitetaan mahdollisimman lähelle pilari- ja seinälinjoja sekä välipohjien reunoja. Vähintään 30% siteistä sijoitetaan pilarien ja seinien ruudukkolinjojen välittömään läheisyyteen. Vaakasiteet voivat olla puuta, teräs- tai alumiiniprofiileja, betoni-teräs liittolaatoissa olevia verkkoraudotteita, betonirakenteissa olevia betoniteräksiä tai teräsohutlevystä valmistettuja liittolevyraudoituksia, jos leikkausliittimet yhdistävät ne suoraan teräspalkkeihin. Siteinä voidaan käyttää erilaisia yhdistelmiä edellä mainituista. Jokaiselta jatkuvalta siteeltä ja sen pääteankkuroinneilta edellytetään, että ne pystyvät siirtämään onnettomuusrajatilassa yhtälön (1) tai yhtälön (2) mukaiset sidevoimat T i. Käytettävä yhtälö riippuu pysyvän kuorman ominaisarvosta. Seuraamusluokan 3a sidevoimien laskentakaavassa on useampi muuttuja kuin seuraamusluokassa 2. Seuraamusluokka 2 Kun vaakarakenteen pysyvän kuorman ominaisarvo G k 2,0 kn/m 2 T i = s * 20 kn/m tai 70 kn sen mukaan, kumpi on suurempi. (1) Kun vaakarakenteen pysyvän kuorman ominaisarvo G k 1,0 kn/m 2 T i = s * 3 kn/m tai 10 kn sen mukaan, kumpi on suurempi. (2)

20 missä s on sisäpuolisilla siteillä siteiden väli keskeltä keskelle ja rengassiteillä rengassiteen ja lähimmän sisä-puolisen siteen väli jaettuna kahdella lisättynä etäisyydellä rakenteen reunaan. Vaakarakenteen pysyvän kuorman ominaisarvon G k ollessa välillä 1,0 2,0 kn/m 2 sidevoiman arvot voidaan interpoloida (NA SFS-EN 1991-1-7: 16). Liitteenä olevassa laskuesimerkissä on ratkaistu sidevoimat ja katto-orsien kestävyys sidevoimille on osoitetu riittäväksi. 4.1.2 Seinien ja pilareiden sidonta välipohjaan Reunapilarit ja seinät sidotaan kaikkiin väli- ja yläpohjatasoon. Vaakarakenteen pysyvän kuorman ominaisarvo G k määrittää käytettävät sidevoimat. Siteiden on pystyttävä kantamaan onnettomuusrajatilassa yhtälön (3) tai yhtälön (4) mukaiset voimat. Seuraamusluokka 2 Kun vaakarakenteen pysyvän kuorman ominaisarvo G k 2,0 kn/m 2 T tie = s * 20 kn/m. (3) Kun vaakarakenteen pysyvän kuorman ominaisarvo G k 1,0 kn/m 2 T tie = s * 3 kn/m, (4) mutta kuitenkin enintään T tie = 150kN.

21 missä s on sidevoiman kertymisleveys, joka lasketaan pystyrakenteiden välisten vapaiden etäisyyksien puolestavälistä puoleenväliin tai pystyrakenteen ollessa ulkonurkassa rakenteen ulkoreunaan saakka. (NA SFS-EN 1991-1-7: 16.) 4.2 Pystysiteet Pilarit ja seinät on varustettava jatkuvalla sidonnalla perustuksista yläpohjaan asti. Pilareiden ja kantavien seinien tulee kestää onnettomuusmitoitustilanteessa esiintyvä vetovoima, jonka mitoitusarvo on suurin pystysuuntaisen pysyvän ja muuttuvien kuormien mitoitusarvon reaktio, joka kertyy pilarille tai seinälle yhdestä kerroksesta. Vetovoima on ankkuroitava yläpuoliseen kerrokseen. Kantavan seinärakenteen pystysiteet voivat olla enintään kuuden metrin etäisyydellä toisistaan ja ne saavat olla enintään kolmen metrin etäisyydellä seinän vapaasta päästä. (NA SFS-EN 1991-1-7: 21.) 4.3 Yhden rakenneosan kantokyvyn menetys Tapauksessa missä rakenneosan kohdalla ei voida soveltaa sidevoimia on tutkittava voidaanko osaa ympäröivä rakenne suunnittella niin, että kun rakenneosa menettää kantokykynsä on muu rakennus edelleen vakaa, eikä paikallinen vaurio ylitä sallittua raja-arvoa. Yleensä on riittävää kun voidaan osoittaa, että rakenneosan kantokyvyn menetyksen jälkeen sitä ympäröivä rakenne kantaa siihen kohdistuvat lisäkuormat korvaavan rakennesysteemin avulla. 4.4 Avainasemassa oleva rakenneosa Avainasemassa olevalla rakenneosalla tarkoitetaan rakenneosaa, jonka poistamisesta seuraa hyväksyttävän rajan ylittävä vaurio. Tälläinen rakenneosa sekä sitä tukevat rakenteet tulee mitoittaa kestämään onnettomuuskuorma A d. Suomen kansallisessa liitteessä onnettomuuskuorman mitoitusarvoksi on määritelty 50 kn ja kuorman

22 oletetaan vaikuttavan vaakasuunnassa vapaan kerroskorkeuden puolessa välissä. Eurokoodin mukainen mitoituskuorman suositusarvo on 34 kn/m 2. Pilareiden mitoituksessa käytetään 50 kn pistekuormaa ja seinissä kuorma jaetaan viivakuormaksi kolmen metrin leveydelle (NA SFS-EN 1991-1-7: 21). Liitteessä esitetyssä laskuesimerkissä käytetään 50 kn pistekuormaa pilarin korkeuden puolessa välissä. Esimerkin pilari kestää onnettomuuskuorman A d, mikä on ratkaisevan tärkeää, sillä vaihtoehtoiset toimintaperiaatteet eivät toimineet sidevoimia lukuunottamatta. 4.5 Riskianalyysi Riskianalyysiä edellytetään seuraamusluokassa 3b, silloin rakenne on tyypillisesti vaativa ja vaurion seuraukset ovat suuret. Riskianalyysissä huomioidaan ennakoitavissa olevat sekä ennakoimattomat vaaratilanteet. Riskianalyysimenetelmiin kuuluu kvalitatiivinen (kuvaileva) osio ja kvantitatiivinen (numeerinen) osio, jos se on oleellinen ja käytännössä tehtävissä. Kuva 3:ssa on esitetty riskianalyysin yleiskatsaus. (SFS-EN 1991-1-7: Liite B.)

Kuva 3. Riskianalyysin yleiskatsaus (SFS-EN 1991-1-7: 66). 23

24 5 YHTEENVETO Eurokoodi 1:n sisältämän liitteen A sijasta Suomessa käytetään kansallisen liitteen jäljessä olevaa ristiriidatonta asiakirjaa Rakennusten suunnittelu määrittelemättömästä syystä aiheutuvan paikallisen vaurion seuraamusten varalta. Siinä esitettävillä periaatteilla saadaan aikaan rakennus, joka sietää paikallista vaurioitumista sortumisen etenemättä rakennuksessa suhteettoman laajalle. Teräsrakenteiden mitoitus jatkuvalle sortumalle edellyttää eri toimenpiteitä seuraamusluokasta riippuen. Seuraamusluokkassa 1 ei vaadita onnettomuustilanteen erityistarkastelua. Luokka 2a edellyttää vaakasiteet tai välipohjien ankkuroinnin seiniin. Luokka 2b edellyttää vaaka- ja pystysiteet tai paikallisen vaurion tarkastaminen tai suunnittelu avainasemassa olevana rakenneosana. Luokassa 3a on samat toimintaperiaatteet kuin luokassa 2b ja luokassa 3b vaaditaan riskianalyysi. Riskiarvioinnin tuloksesta riippumatta tulee tarkistaa paikallisen vaurion seuraukset, sekä avainasemassa olevat rakenneosat. Sidevoimien laskemiseen on olemassa selkeät ohjeet, mutta Eurokoodi ei anna ohjeita siitä, miten liitokset mitoitetaan sidevoimille. Paikallisen vaurion tarkastamisen yhteydessä puhutaan ainoastaan sallituista rajoista. Paikallisen vaurion laajuuden rajoittaminen voidaan suunnitella mm. niin, että liitokset mahdollistavat sallitun kokoisen alueen sortumisen, ilman että ympärillä olevat rakenteet sortuvat. Kyseinen ratkaisu ei kuitenkaan sovellu kaikkiin tapauksiin, sillä se aiheuttaa riskitilanteet sortumishetkellä. Kuormien siirtäminen vaihtoehtoisen rakennesysteemin avulla on työläämpi, mutta turvallisempi ratkaisu. Suunnittelu avainasemassa olevana rakenneosana on selkeä tapa osoittaa rakenteen kestävyys. Eurokoodin mukainen mitoitus on esitetty liitteenä olevassa laskuesimerkissä ja sen perusteella voidaan sanoa, että teoria toimii.

25 6 LÄHDELUETTELO Betoninormikortti 23EC (2012) Liitosten mitoitus onnettomuuskuormille. Suomen Betoniyhdistys ry. 48 s. NA SFS-EN-1991-1-7 (2009) Kansallinen liite standardiin SFS-EN 1991-1-7. Rakennusten suunnittelu määrittelemättömästä syystä aiheutuvan paikallisen vaurion seuraamusten varalta. Ympäristöministeriö: 23 s. Ongelin P & Valkonen I (2012) Rakenneputket EN 1993 käsikirja. Hämeenlinna: Rautaruukki Oyj. SFS-EN-1991-1-7 + A1 + AC (2014) Eurokoodi 1. Osa 1-7: Yleiset kuormat - Onnettomuuskuormat. Suomen Standardisoimisliitto: 116 s. SFS-EN 1990 + A1 + AC (2010) Eurokoodi. Rakenteiden suunnitteluperusteet. Suomen Standardisoimisliitto. 184 s. SFS-EN 1993-1-1 (2005) Eurokoodi 3. Teräsrakenteiden suunnittelu. Osa 1-1: Yleiset säännöt ja rakennuksia koskevat säännöt. Suomen Standardisoimisliitto. 99 s.

LIITE Alkuarvot Y Pilarin pituus H 7m Hallin leveys B 22.5m M Kehäväli k 7.2m M Kehien lukumäärä 8 Kattokaltevuus 1 3 Lumikuorma s k 2.5 kn m 2 0.8 s s k 2 kn m 2 Viivakuorma lumesta Q k1 sk 14.4 kn m Lumesta aiheutuva pistevoima pilarin päässä Q k.lumi Q k1 B 2 162 kn Kattorakenteen omapaino g k1 0.3 kn m 2 G k1 g k1 k 2.16 1 m kn Ristikon omapaino G k2 1 kn m Rakenteen omapaino yhteensä G k G k1 G k2 3.16 kn m Rakenteen omapainosta aiheutuva pistevoima pilarin päässä G kj G k B 2 35.55kN

Tuulikuorma voimakerroin menetelmällä c s 1 c d 1 A ref HB 157.5m 2 c f 1.3 umpinainen rakennus q p 0.6 kn Maastoluokka II, korkeus 7m m 2 F w c s c d c f q p A ref 122.85 kn Viivakuorma tuulesta Q kw F w k 17.063 kn m Kuormitusyhdistelmät K FI 1 Käsitellään tuulikuorma ja omapaino sekä lumikuorma erillisinä, koska kyseiset voimat vaikuttavat erisuuntiin. Murtorajatila Lumikuorma määräävä 0w 0.6 N Ed1 1.15 K FI G kj 1.5 K FI Q k.lumi 283.882kN W Ed1 1.5K FI 0w Q kw 15.356 kn m Tuulikuorma määräävä 0l 0.7 N Ed2 1.15 K FI G kj 1.5 K FI 0l Q k.lumi 210.982kN W Ed2 1.5K FI Q kw 25.594 kn m Pelkkä omapaino 1.35 K FI G kj 47.992kN Tämä arvo on pienin, joten sitä ei huomioida

Käyttörajatila Lumikuorma määräävä N Ed3 K FI G kj K FI Q k.lumi 197.55kN W Ed3 K FI 0w Q kw 10.238 kn m Tuulikuorma määräävä N Ed4 K FI G kj K FI 0l Q k.lumi 148.95kN W Ed4 K FI Q kw 17.063 kn m Pelkkä omapaino K FI G kj 35.55 kn Tämä arvo on pienin, joten sitä ei huomioida Pilarin mitoitus 1 0 sivusiirtymän perusarvo 200 2 h 0.756 korkeuden pienennystekijä 7 m 1 2 peräkkäisten pilareiden lukumäärä 1 m 0.5 1 m 0.866 1 0 h m 3.273 10 3 V Ed N Ed2 210.982kN H eq V Ed 690.602N

Ekvivalentista vaakavoimasta aiheutuva momentti M 1 H eq H 4.834kNm Tuulikuormasta aiheutuva momentti W Ed2 H 2 M 2 2 627.047kNm Kokonaismomentti pilarin kannassa M 3 M 1 M 2 631.881kNm Valitaan profiiliksi 300*300*10 Putkipalkkikäsikirjan taulukosta saadaan arvot: W el 1035 10 3 mm 3 W pl 1211 10 3 mm 3 N crd 3996kN M crd 429.9kNm I 1551910 4 mm 4 A 11260mm 2 f y 355 N mm 2 Nurjahduskestävyys E 210 GPa L n 2H 14m N cr 2 EI 2 L n 1.641 10 3 kn Hoikkuusluku Af y 1.561 N cr Lasketaan pienennystekijä. käsik s71 0.49 0.5 1 ( 0.2) 2 2.051 1 2 2 0.296 Kyseessä on neliöprofiili, joten se ei kiepahda. LT 1

Nurjahdustaivutus M t 0 M t 0 M 3 q W Ed2 M 1 M 2 M s 2 q H 2 H 4 159.179kNm s M s 0.252 M 3 c my 0.2 0.8 s 0.402 N Ed2 N Ed2 k yy.1 c my 1 ( 0.2) 0.499 k N yy.2 c my 1 0.8 0.459 crd N crd k yy k yy.1 if k yy.1 k yy.2 0.459 k yy.2 otherwise Yhteisvaikutusyhtälö M Ed M 3 N Ed N Ed2 N Ed N crd M Ed k yy 1 1 OK LT M crd Käyttöaste N Ed N crd M Ed k yy 0.853 LT M crd

Sidevoimat L 1 k L 2 L 1 L 3 0.3m L 4 B L 5 0.3m L 1 7.2 m L 4 22.5m L 1 L 2 s 1 2 7.2m L 2 s 2 2 L 3 3.9m L 4 s 3 2 L 5 11.55m kn T 1 s 1 3 m if s 1 3 ( 10kN) otherwise kn m 10kN 21.6kN kn T 2 s 2 3 m if s 2 3 ( 10kN) otherwise kn m 10kN 11.7kN kn T 3 s 3 3 m if s 3 3 ( 10kN) otherwise kn m 10kN 34.65kN Valitaan vaakasiteeksi (katto-orsi) teräsprofiili 90x90x5 A 1 1636mm 2 I 1 192.910 4 mm 4 W pl1 51.4110 3 mm 3 m 1 12.8 kg N m crd1 580.6kN M crd1 18.25kNm M1 1 M0 1

L n1 L 1 L n2 L n1 b 90mm h 90mm t 5mm M pl.rd1 W pl1 f y M0 18.251kNm Taivutuskestävyys n orsi 30 katto-orsien kappalemäärä g 0 m 1 g 125.525 N katto-orren omapaino m B q 0 s g n orsi 1 0 viivakuorma lumikuormasta ja katto-orren omapainosta 1 M Ed1 8 q 0k 2 10.869kNm B n orsi 1 0.776m katto-orsien jakoväli M Ed1 1 1 M crd1 M Ed1 0.596 M crd1 Vetokestävyys N t.rd A 1 f y M0 580.78kN T 1 1 1 N t.rd T 2 1 1 N t.rd T 3 1 1 N t.rd Valittu profiili kestää sidevoimat. Suunnissa T1 ja T2 sidevoimat kohdistuvat kattoristikon alapaarteeseen, joka on tässä esitettyä profiilia vahvempi, joten ollaan varmalla puolella. Tarkastetaan kestääkö katto-orret, kun poistetaan yksi pilari, jolloin kattoristikko jää katto-orsien varaan. Taivutuskestävyys n orsi 30 katto-orsien kappalemäärä g 0 m 1 g 125.525 N katto-orren omapaino m B q 0 s g n orsi 1 0 1.677 kn viivakuorma lumikuormasta ja katto-orren omapainosta m G k2 B P 0 775.862N kattoristikosta aiheutuva pistevoima yhdelle katto-orrelle n orsi 1 1 M Ed2 8 q 0( 2k) 2 P 0 2k 54.647kNm

M Ed2 1 0 M crd1 M Ed2 2.994 M crd1 Muutetaan liitoksia niin, että katto-orret eivät kannata kattoristikkoa 1 M Ed3 8 q 0( 2k) 2 43.474kNm M Ed3 2.382 M crd1 Katto-orret eivät pysty kantamaan lumikuormaa ilman kattoristikkoa. Rakenteiden liitokset on suunniteltava niin, että kattoristikon vaurioituessa kuormat eivät siirry viereisille ristikoille. Tällä tavalla paikallinen vaurio ei etene laajemmalle ja vain pieni osa katosta sortuu. Mikäli kattorakenteiden liitoksia ei voida toteuttaa edellä mainitulla tavalla, yhden pilarin vaurioituminen voi johtaa jatkuvaan sortumaan. Tässä tapauksessa pilari on mitoitettava avainasemassa olevana rakenneosana. Kuormitusyhdistelmät onnettomuustilanteessa, esitetään ainoastaan kohdat jotka poikkeavat aikaisemmin esitetystä pilarin mitoituksesta. 1.1 0.5 2.2 0 A d 50kN Lumikuorma määräävä N Ed.A1 G kj 1.1 Q k.lumi 116.55kN W Ed.A1 A d 2.2 Q kw 50kN H eqa N Ed.A1 381.499N Ekvivalentista vaakavoimasta aiheutuva momentti M 1A H eqa H 2.67kNm M 1 4.834kNm Tuulikuormasta aiheutuva momentti, huom. kuormitusyhdistelmän kertoimet jättävät tuulivoiman huomiomatta. M 2A H A d 2 175kNm M 2 627.047kNm Kokonaismomentti pilarin kannassa M 3A M 1A M 2A 177.67kNm M 3 631.881kNm M 3A 0.281 M 3 Kokonaismomentti on normaalikuormitusyhdistelmästä saatuun kokonaismomenttiin verrattuna hyvin pieni. Todetaan, että pilari kestää viemättä mitoitusta tämän pidemmälle.